Thiết kế và chế tạo rơle bảo vệ sa thải tải theo tần số trên đường dây phân phối
MỤC LỤC
Các loại sự cố bảo vệ của rơle số hoá bảo vệ đường dây phân phối
Sự cố quá tải
Khi xảy ra quá tải, nhiệt độ đường dây tải sẽ tăng lên, làm cho dây yếu đi về mặt cơ khí, gây hư hỏng đường dây, đồng thời tăng tổn thất nhiệt trên đường dây. Do vậy những người trực vận hành ở cỏc lưới điện khu vực phải theo dừi các thông số trên thiết bị và đường dây truyền tải thuộc khu vực mình quản lý để phát hiện sự cố quá tải, thông báo cho điều phối viên hệ thống điện quốc gia biết để xử lý, đưa ra phương thức vận hành hợp lý hơn với kết cấu điện hiện tại nhằm giảm thiểu tình trạng quá tải các đường dây truyền tải.
Sự cố quá dòng
Trong trường hợp đó, hệ thống rơle của đường dây sự cố và của máy cắt tổng đều phát hiện ra sự cố (pick up) và phải đảm bảo tính lựa chọn, chỉ cắt nhanh lộ của đường dây phân phối mà không cắt ngay lộ tổng, đồng thời ở các lộ nhánh cũng phải có sự lựa chọn, lộ nào có dòng điện lớn hơn thì sẽ cắt trước. Như vậy đa số trường hợp hỏng hóc trên đường dây tải điện trên không nếu sau kh cắt máy một khoảng thời gian đủ để cho môi trường chỗ hư hỏng khôi phục lại tính chất cách điện, ta lại đóng đường dây thì đường dây lại hoạt động bình thường, nhanh chóng khôi phục lại cung cấp điện cho hộ tiêu thụ, giữ vững chế độ đồng bộ và ổn địnhcảu hệ thống.
Sự cố tần số thấp
Nếu sau 3 lần mà vẫn phát hiện thấy có sự cố thì cắt hoàn toàn đường dây bị sự cố.
Thiết kế phần cứng
Mạch lọc thông thấp và chuẩn hoá tín hiệu
Cũng từ điện áp ra khỏi mạch lọc này được đưa vào mạch biến đổi điện áp hình sin ra thành xung vuông có cả phần âm và phần dương. Vì trong đồ án này sử dụng phương pháp đo tần số bằng cách đo chu kỳ do đó tìn hiệu xung vuông tần số được đưa vào chân ngắt INT0 để khởi động timer sau đó ta đếm thời gian của 2 lần ngắt chính là chu kỳ cần đo.
Khối xử lý và điều khiển
TICIE1: Cho phép ngắt Input Capture của Timer/counter1 OCIE1A: Cho phép ngắt Output compareA của Timer/counter OCIE1B: Cho phép ngắt Output compareB của Timer/counter TOIE1: Cho phép ngắt tràn của Timer/counter1. Khi T1 được giữ nhịp từ bên ngoài, tín hiệu bên ngoài được đồng bộ với tần số dao động của CPU, thời gian cực tiểu giữa hai lần xy ra sự chuyển mức tín hiệu đồng hồ ít nhất cũng phi bằng 1 chu kỳ xung đồng hồ bên trong CPU.
Khối ngoại vi ( Phím, LCD, RTC, EEPROM) 1 Phím
IRQF – Interrupt Request Flag Cho phép tất cả ngắt PF – Cho phép ngắt Periodic (bit này là Read only) AF – Cho phép ngắt Alarm (bit này là Read only) UF – Cho phép ngắt Update (bit này là Read only). Theo yêu cầu khi thiết kế rơle là phải ghi lại được các thông số để khi mất điện ta không phải đặt lại từ đầu ngoài ra còn ghi lại lịch sử sự cố đã xảy ra, vì vậy cần có bộ nhớ EEPROM ngoài.
CONNECTOR DB25
Để chuyển mức tín hiệu TTL thành mức tương thích với RS232 ở mạch bên ngoài ta sử dụng vi mạch được chế tạo bởi hãng Maxim đó là max232. Khi sự cố tần số được phát hiện Rơle sẽ thực hiện việc đóng cắt các máy cắt sa thải tải để ổn định tần số thông qua việc đóng cắt rơle tiếp điểm trung gian có nguồn nuôi 12V.
CONNECTOR DB9
Giới thiệu chung
Rơle số được thiết kế dựa trên các modul phần cứng riêng biệt .Mỗi một modul thực hiện một chức năng riêng và chúng thực hiện nhịp nhàng với nhau theo các thuật toán đã định sẵn. Các modul này tuy hoạt động riêng biệt nhưng chúng đều tác động lên các cờ trạng thái chung của chương trình và giúp cho rơle hoạt động một cách an toàn chính xác.
Lưu đồ thuật toán của chương trình
Rơle số được thiết kế dựa trên các modul phần cứng riêng biệt .Mỗi một modul thực hiện một chức năng riêng và chúng thực hiện nhịp nhàng với nhau theo các thuật toán đã định sẵn. Với việc khai thác triệt để các chức năng ngắt của vi điều khiển AVR , toàn bộ phần mềm của Rơle được chia ra thành 5 modul ngắt .Các modul này hoạt động và xử lý riêng biệt nên đảm bảo tính năng thời gian thực cho rơle.Các modul ngắt này gồm :. -Ngắt ngoài 0 dùng để đo tần số lưới điện. -Ngắt ngoài 1 dùng để ghép nối với bàn phím. -Ngắt do tràn timer0 dùng để hiển thị tần số và điện áp. -Ngắt do tràn timer2 dùng để định thời gian cắt cho rơle. -Ngắt truyền thông nối tiếp dùng để ghép nối với PC. Các modul này tuy hoạt động riêng biệt nhưng chúng đều tác động lên các cờ trạng thái chung của chương trình và giúp cho rơle hoạt động một cách an toàn chính xác. Phần tiếp sau đây sẽ đi sâu cụ thể vào các modul riêng. -Khởi tạo phần cứng cho LCD -Khởi tạo Timer0. -Khởi tạo Timer2 -Khởi tạo ngắt ngoài 0 -Khởi tạo ngắt ngoài 1 -Khởi tạo cổng truyền tin. -Cài đặt giá trị cho các tham số. -Timer1 dừng -Đọc dữ liệu từ Timer1 cất vào SRAM. -Timer1 bắt đầu chạy. Để đo tần số ,trong thiết kế này sử dụng phương pháp đo chu kỳ .Tức là đếm số xung trong hai lần chuyển trạng thái từ thấp lên cao của tín hiệu hình sin.Sau khi đo chu kỳ ta sẽ thu được tần số và gọi chương trình canh đo tần số. 3)Lưu đồ thuật toán xử lý bàn phím. Bàn phím là thiết bị dung để lập trình các thông số cho rơle một cách trực tiếp. Bàn phím gồm 4 phím là : Function, increment,decrement, enter.Trong đó phím Function thực hiện các chức năng sau:. Func Chức năng. Func1 Stop rơle :rơle không điều khiển máy cắt Func2 Cài đặt thông số cho lộ 1. Func6 Chọn chức năng có reclose hay không. Cài đặt các thông số cho rơle bao gồm : đặt các tần số ngưỡng fn, đặt các thời gian cắt T_totrip, đặt các mức ưu tiên cho từng lộ. a) Lưu đồ phím chung. b)Lưu đồ phím Function. Phím này có tác dụng chọn các chức năng như : stop rơle, cài đặt các tham số cho các lộ ,lựa chọn thuộc tính reclose. để xác định chức năng nào được chọn ta dùng cờ var_func,giá trị của cờ này cho ta chức năng tương ứng. Gọi chương trình phục vụ phím. Key=inc Gọi chương trình. phục vụ phím inc. Key=dec Gọi chương trình. phục vụ phím dec. Key=enter Gọi chương trình. phục vụ phím enter. Gọi chức năng stop rơle. c)Lưu đồ xử lý phím increment và decrement inc. phục vụ lựa chọn yes hoặc no stop rơle. chọn tần số hay t_trip2,tăng giảm giá trị vừa chọn. chọn tần số hay t_trip3,tăng giảm giá trị vừa chọn V_func=. chọn tần số hay t_trip1,tăng giảm giá trị vừa chọn. chọn tần số hay t_trip4,tăng giảm giá trị vừa chọn. Lựa chọn Yes hoặc No chức năng reclose. d)Lưu đồ phím Enter. Trong khi thiết lập các thông số cho rơle thì phím enter có tính chất quyết định là ghi nhận sự thay đổi của người lập trình lên các tham số hoạt động. Thực hiện chức năng stop rơle. Ghi vào SRAM Các giá trị tần số đặt1 và T_trip1. Ghi vào SRAM Các giá trị tần số đặt1 và T_trip1 V_func=. Ghi vào SRAM Các giá trị tần số đặt1 và T_trip1. Ghi vào SRAM Các giá trị tần số đặt1 và T_trip1. Ghi vào SRAM Lựa chọn reclose. 4)Lưu đồ thuật toán hiển thị giá trị điện áp và tần số. Đây là chức năng hiển thị giá trị tần số và điện áp sau thời gian 500ms.Thời gian này được tính bằng số lần tràn timer0.Trong chương trình phục vụ ngắt tràn dữ liệu về tần số và điện áp đã ghi trong SRAM được đem ra để biến đổi ,tính toán,sau đó hiển thị trên LCD.Trong lưu đồ này ta đặt trước giá trị cho Timer0 để sau 10mS nó sẽ tràn. 5)Lưu đồ canh tần số và reclose. Canh tần số và reclose là hai chương trình con nằm trong ngắt ngoài 0. Đây là hai chương trình quan trọng , quyết định tới đặc tính đóng mở của rơle. -Rcall display -Dem=0. Trong chương trình canh tần số ,tần số thu được sau khi ra khỏi chương trình tính toán sẽ được đem so sánh với các tần số đặt ,nếu phát hiện tần số đầu vào nhỏ hơn. tần số đặt ở lộ nào thì chương trình sẽ dựng một cờ để thông báo, đồng thời sẽ kích hoạt Timer2 chạy .Chương trình sẽ điều khiển cắt máy cắt sau một khoảng thời gian bằng thời gian T_trip mà người lập trình rơle đặt.Như vậy các lộ mà có sự cố sẽ được cách ly khỏi lưới điện một cách nhanh chóng.Nhưng các lộ không có sự cố vẫn bị cách ly khỏi lưới điện ,bởi tần số ngưỡng đặt cho lộ đó lớn hơn tần số thu được .Mặt khác các sự cố có thể xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn ,sau đó kết thúc.Lộ bị lỗi lại trở về trạng thái hoạt động bình. thường .Vì vậy việc đóng lại các lộ không bị lỗi và các lộ trở về từ trạng thái lỗi trong một thời gian ngắn là việc hết sức quan trọng của rơle. Cho nên chương trình reclose sẽ được cài đặt vào phần mềm của rơle. Chương trình con reclose sẽ được thực thi khi mà tần số đo được không nhỏ hơn tần số đặt của bất kỳ lộ nào.Nó sẽ kiểm tra xem lộ nào đã bị cắt ra khỏi lưới điện và sẽ đóng lộ đó lại ,nếu việc đóng lại gây ra lỗi tần số thì rơle sẽ cắt lộ đó ra khỏi lưới.Việc đóng lại này chỉ thực thi lặp lại trong 3 lần,nếu quá ba lần mà vẫn lỗi thì rơle sẽ cắt hẳn lộ này ra khỏi lưới điện.Việc đóng lại lộ này sẽ được tiến hành bằng bàn phím hoặc bằng phần mềm trên máy tính. Để thực hiện thời gian T_totrip ta dung timer2.Timer2 sẽ được cài đặt để cứ sau khoảng thời gian 10ms sẽ tràn một lần .Chương trình con phục vụ ngắt tràn sẽ tăng một biến dem_trip ,biến này sẽ được so sánh với các T_totrip của các lộ.Nếu thấy lộ nào có thời gian đặt bằng với dem_trip thì chương trình con. phục vụ cắt sẽ được thực thi. 6)Lưu đồ truyền tin với máy tính. Việc kết nối với máy tính cho phép người sử dụng đặt các thông số cho rơle một cách dễ dàng.Ngoài việc đặt thông số cho rơle ,người sử dụng còn có thể truy nhập vào rơle để theo dừi cỏc sự cố đó xảy ra hoặc theo dừi ngay tức thời giá trị điện áp và tần số.
CHƯƠNG VI: ĐÁNH GIÁ THIẾT BỊ I)Đánh giá sai số của thiết bị
Đánh giá thiết bị
Rơle số được chế tạo dùng vi điều khiển AVR 90s8535 của hãng ATMEL,với ưu điểm là tốc độ rất nhanh so với một số loại vi điều khiển khác nên khả năng phát hiện và xử lý sự cố được đảm bảo an toàn và tương đối chính xác.Giảm thời gian tính toán các phép toán. -Chưa tích hợp mạch nạp cho vi điều khiển nên chưa tận dụng được ưu điểm của vi điều khiển là lập trình online.